Grade 11
  1. Mecânica  1.1. dinâmicas  1.1.1. Movimento em uma dimensão  1.1.2. Movimento em duas e três dimensões  1.1.3. Deslocamento e Distância  1.1.4. Velocidade e Rapidez  1.1.5. Aceleração e desaceleração  1.1.6. Análise gráfica do movimento  1.1.7. Equações do movimento (derivações avançadas)  1.1.8. Queda livre e velocidade terminal  1.1.9. Movimento de projéteis  1.1.10. Velocidade relativa em uma e duas dimensões  1.1.11. Movimento de um carro em um plano inclinado  1.2. Dinâmica  1.2.1. As leis do movimento de Newton e suas aplicações  1.2.2. Inércia e a primeira lei de Newton  1.2.3. Força e tipos de força  1.2.4. Atrito estático e cinético  1.2.5. Movimento circular e aceleração centrípeta  1.2.6. Movimento circular não uniforme  1.2.7. Bancagem de estradas e curvas  1.2.8. Momento e Impulso  1.2.9. Conservação do momento em uma e duas dimensões  1.2.10. Aplicações da Terceira Lei de Newton  1.3. Work, Energy and Power  1.3.1. Trabalho realizado por uma força constante e variável  1.3.2. Teorema trabalho-energia  1.3.3. Energia cinética e potencial  1.3.4. Energia potencial gravitacional e elástica  1.3.5. Conservação da energia mecânica  1.3.6. Poder e potência instantânea  1.3.7. Eficiência das máquinas  1.3.8. Trabalho realizado por forças conservativas e não conservativas  1.4. Movimento rotacional  1.4.1. Torque e aceleração angular  1.4.2. Equilíbrio rotacional  1.4.3. Momento de inércia e suas aplicações  1.4.4. Momento angular e sua conservação  1.4.5. Energia cinética de movimento de rotação e rotação  1.4.6. Teorema dos Eixos Paralelos e Perpendiculares  1.4.7. Dinâmica do movimento rotacional
  2. Gravitational force  2.1. Gravitação universal  2.1.1. Lei da gravitação universal de Newton  2.1.2. Campo gravitacional e potencial  2.1.3. Mudança na aceleração devido à gravidade  2.1.4. Leis do movimento planetário de Kepler  2.1.5. Mecânica orbital e satélites  2.1.6. Velocidade de escape e velocidade orbital  2.1.7. Ausência de peso e queda livre  2.1.8. Energia potencial gravitacional e energia em órbitas  2.1.9. Buracos negros e lente gravitacional
  3. Propriedades da matéria  3.1. Mecânica dos fluidos  3.1.1. Densidade e pressão em líquidos  3.1.2. A teoria de Pascal e aplicações  3.1.3. O Princípio de Arquimedes e a flutuação  3.1.4. A equação de Bernoulli e aplicações  3.1.5. Equação de continuidade e o efeito Venturi  3.1.6. Tensão superficial e capilaridade  3.1.7. Viscosidade e Lei de Poiseuille  3.1.8. Número de Reynolds e turbulência  3.2. Elasticidade e deformação  3.2.1. Lei de Hooke e a relação tensão-deformação  3.2.2. Módulo de elasticidade e aplicações  3.2.3. Deformação e limite de escoamento de sólidos
  4. Física térmica  4.1. Calor e temperatura  4.1.1. Propriedades termométricas e escala de temperatura  4.1.2. Expansão térmica de sólidos, líquidos e gases  4.1.3. Sistema de transferência de calor  4.1.4. Capacidade calorífica específica e calorimetria  4.1.5. Calor latente e mudança de fase  4.2. Kinetic theory of gases  4.2.1. Modelo molecular dos gases  4.2.2. Explicação cinética da temperatura  4.2.3. Equação do Gás Ideal e Desvios  4.2.4. Caminho livre médio e distribuição de Maxwell-Boltzmann  4.3. Leis da Termodinâmica  4.3.1. Lei Zero e Equilíbrio Térmico  4.3.2. Primeira Lei e Energia Interna  4.3.3. A Segunda Lei e Entropia  4.3.4. Ciclo de Carnot e motores térmicos  4.3.5. Refrigeradores e Bombas de Calor
  5. Ondas e oscilações  5.1. Movimento Harmônico Simples  5.1.1. Equações do MHS  5.1.2. Energia no MHS  5.1.3. Oscilações amortecidas e forçadas  5.1.4. Ressonância e aplicações  5.1.5. Pêndulo e sistema massa-mola  5.2. Movimento ondulatório  5.2.1. Tipos de ondas mecânicas  5.2.2. Movimento das ondas e transporte de energia  5.2.3. Princípio da Superposição e Ondas Estacionárias  5.2.4. Reflexão, Refração e Difração  5.2.5. Efeito Doppler em som e luz  5.2.6. Pulsos e interferência
  6. Eletricidade e Magnetismo  6.1. Eletrostática  6.1.1. Carga elétrica e conservação  6.1.2. A lei de Coulomb e suas aplicações  6.1.3. Campo elétrico e fluxo elétrico  6.1.4. Potencial elétrico e energia potencial  6.1.5. Capacitance and Energy Stored in a Capacitor  6.2. Eletricidade Atual  6.2.1. Lei de Ohm e resistência elétrica  6.2.2. Resistência e dependência de temperatura  6.2.3. Leis de Kirchhoff e Análise de Circuitos  6.2.4. Potência elétrica e eficiência  6.2.5. Combinação de resistores  6.3. Magnetismo e Eletromagnetismo  6.3.1. Campos magnéticos e suas fontes  6.3.2. Força magnética em cargas em movimento  6.3.3. Indução eletromagnética  6.3.4. Leis de Faraday e Lenz  6.3.5. Indutância e Transformador  6.3.6. Corrente alternada e suas aplicações
  7. Óptica  7.1. Reflexão e Refração  7.1.1. leis da reflexão e refração  7.1.2. Espelhos e lentes  7.1.3. Reflexão interna total e fibra óptica  7.2. Óptica de ondas  7.2.1. Interferência e Difração  7.2.2. Experimento da dupla fenda de Young  7.2.3. Polarização da luz
  8. Física Moderna  8.1.1. Efeito fotoelétrico e a teoria de Einstein  8.1.2. Dualidade onda-partícula  8.1.3. Princípio da Incerteza de Heisenberg  8.1.4. Compton Effect  8.2. Física Atômica e Nuclear  8.2.1. Modelo atômico e níveis de energia  8.2.2. Decaimento radioativo e meia-vida  8.2.3. Fissão Nuclear e Fusão
  9. Eletrônica e Comunicação  9.1. Semicondutores  9.1.1. junção pn e diodo  9.1.2. Transistores e Portas Lógicas  9.1.3. Circuitos Integrados e Aplicações  9.2. Sistemas de Comunicação  9.2.1. Noções básicas de Comunicação Analógica e Digital  9.2.2. Comunicação Sem Fio e Óptica  9.2.3. Modulação e Demodulação

Grade 11 → Física térmica → Leis da Termodinâmica ↓


Refrigeradores e Bombas de Calor


Compreender refrigeradores e bombas de calor requer um entendimento básico de física térmica e das leis da termodinâmica. Ambos os dispositivos trabalham com os princípios de mover calor de um lugar para outro. Refrigeradores são encontrados em muitas casas e são usados para manter alimentos frios. Bombas de calor podem ser vistas em aplicações como aquecimento ou resfriamento de espaços em edifícios. Embora seus propósitos sejam diferentes, eles compartilham princípios termodinâmicos.

Fundamentos da Termodinâmica

A termodinâmica é um ramo da física que lida com calor, trabalho, temperatura e troca de energia entre sistemas. Ela é regida por quatro leis principais: a lei zero, primeira, segunda e terceira leis.

  • Lei zero: Se dois sistemas estão em equilíbrio térmico com um terceiro sistema, eles também estarão em equilíbrio térmico entre si.
  • Primeira lei: A energia não pode ser criada nem destruída, apenas convertida de uma forma para outra. Isso é frequentemente referido como conservação de energia. A mudança na energia interna de um sistema é igual ao valor obtido subtraindo o calor adicionado ao sistema do trabalho realizado nele.
  • Segunda lei: A entropia total de um sistema fechado não pode diminuir com o tempo. A entropia é uma medida de desordem; essa lei implica que as conversões de energia nunca são 100% eficientes porque alguma energia é sempre perdida como calor residual.
  • Terceira lei: À medida que um sistema se aproxima da temperatura zero absoluto, a entropia do sistema se aproxima de um valor constante mínimo.

Compreendendo Refrigeradores

Um refrigerador é um eletrodoméstico comum que usa um ciclo de compressão de vapor para transferir calor do interior do refrigerador para o exterior. Esse ciclo envolve um refrigerante que evapora e condensa repetidamente, removendo calor do espaço interno.

Como Funcionam os Refrigeradores

Um refrigerador funciona com base nos princípios da primeira e segunda leis da termodinâmica. Aqui está um esboço de um ciclo geral de refrigeração:

  1. O refrigerante é comprimido pelo compressor, aumentando sua temperatura e pressão.
  2. O gás quente e de alta pressão é então passado pelas serpentinas do condensador localizadas na parte de trás ou inferior do refrigerador, onde perde calor para o ar circundante e se torna um líquido.
  3. O refrigerante líquido então passa por uma válvula de expansão (um pequeno orifício), onde se expande rapidamente e esfria, tornando-se um gás a pressão e temperatura mais baixas.
  4. Esse gás frio circula pelas serpentinas de evaporação dentro do refrigerador e absorve calor do interior. Esse calor faz com que o refrigerante volte a se tornar um líquido, e esse ciclo é repetido.

O coeficiente de desempenho (COP) é uma medida da eficiência de um refrigerador:

    COP = [frac{Q_c}{W}]

Onde (Q_c) é o calor removido do espaço resfriado e (W) é o trabalho realizado pelo compressor. Valores mais altos de COP indicam refrigeradores mais eficientes.

Evaporador Compressor Condensador válvula de expansão

Compreendendo Bombas de Calor

Bombas de calor funcionam como refrigeradores, mas de forma oposta. Elas são projetadas para mover calor de uma área fria para uma área quente, essencialmente "bombear" energia na direção oposta ao seu fluxo natural. Bombas de calor são frequentemente usadas para aquecer casas durante os meses frios ou resfriá-las durante os meses quentes com uma válvula reversível adicional.

Como Funcionam as Bombas de Calor

Assim como refrigeradores, as bombas de calor também dependem da compressão e expansão do refrigerante. Aqui está uma visão geral de seu ciclo de operação:

  1. Um refrigerante é comprimido por um compressor em um gás quente e de alta pressão.
  2. O gás flui através das serpentinas do condensador, liberando calor no ambiente, e se torna um líquido.
  3. Este refrigerante líquido então passa por uma válvula de expansão, onde esfria e se transforma em um gás de baixa pressão.
  4. O gás absorve calor do ar ambiente externo através das serpentinas de evaporação e esse processo é repetido.

A eficiência de uma bomba de calor durante o aquecimento também é medida pelo seu coeficiente de desempenho (COP):

    COP = [frac{Q_h}{W}]

Onde (Q_h) é o calor entregue ao espaço quente. Maior COP significa uma bomba de calor mais eficiente.

fonte de calor Evaporador Compressor Condensador válvula de expansão

Aplicações e Exemplos

Vamos considerar alguns exemplos práticos e aplicações de refrigeradores e bombas de calor.

Exemplo de Refrigerador

Imagine um refrigerador que remove 2000 joules de calor do interior por segundo, enquanto o compressor realiza 500 joules de trabalho por segundo. O coeficiente de desempenho de um refrigerador é calculado como:

    COP = [frac{2000 , J}{500 , J} = 4]

Este valor de COP de 4 indica que para cada joule de trabalho realizado pelo compressor, o refrigerador remove 4 joules de calor do interior.

Exemplo de Bomba de Calor

Uma bomba de calor extrai 3000 J de energia do ar externo e entrega 4500 J de energia no interior, com 1500 J de trabalho realizado pela bomba. Seu coeficiente de desempenho durante o aquecimento é:

    COP = [frac{4500 , J}{1500 , J} = 3]

Portanto, esta bomba de calor fornece 3 joules de energia de aquecimento para o interior da casa para cada joule de trabalho que realiza.

Ligação com a Segunda Lei da Termodinâmica

Tanto os refrigeradores quanto as bombas de calor são exemplos clássicos da segunda lei da termodinâmica. Esta lei afirma que o calor não pode fluir naturalmente de um reservatório frio para um reservatório quente sem que seja realizado trabalho. Isso é o oposto da direção natural de transferência de energia.

Por exemplo, em um refrigerador, o calor é extraído do interior frio e liberado no ambiente quente da sala. Este processo ocorre porque o trabalho é realizado pelo compressor, que conduz o ciclo.

Da mesma forma, bombas de calor extraem calor do ar externo frio e o transferem para o ambiente interno. Apesar de extrair calor de temperaturas mais baixas, uma bomba de calor realiza essa transferência comprimindo o refrigerante e utilizando energia de entrada.

Impacto Ambiental

Tanto os refrigeradores quanto as bombas de calor utilizam refrigerantes, e, historicamente, alguns deles têm sido prejudiciais ao ambiente. Alguns dos produtos químicos usados como refrigerantes podem contribuir para o aquecimento global e a destruição da camada de ozônio. Como resultado, alternativas mais ecologicamente corretas estão agora em uso.

A eficiência desses dispositivos também desempenha um papel importante no consumo de energia. Maior COP indica menor consumo de energia para a mesma transferência de calor, o que é benéfico tanto para o custo quanto para o impacto ambiental.

Conclusão

Refrigeradores e bombas de calor são aplicações fascinantes dos princípios termodinâmicos. Eles destacam as complexidades envolvidas na transferência de calor e as maneiras engenhosas pelas quais os seres humanos têm usado essas propriedades para melhorar o conforto na vida cotidiana.

Ao compreender as leis da termodinâmica e os mecanismos por trás desses dispositivos, podemos apreciar sua funcionalidade e continuar a inovar nesses sistemas essenciais.


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Refrigeradores e Bombas de Calor

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